Unutar mozga i leđne moždine MS zahvaća aksone, dugačke produžetke živčane stanice koji povezuju različite dijelove živčanog sustava, prenoseći informacije između mozga i ciljnih organa, kao primjerice noge, oči itd. AksonAksoni variraju u svojoj dužini od nekoliko centimetara do nekoliko desetaka centimetara, a okruženi su zaštitnom, izolirajućom ovojnicom, koja se naziva mijelin. Ta je ovojnica bjelkaste boje i građena je od tkiva koje sadržava masnoće i bjelančevine, a omogućava brzo, ravnomjerno i efikasno prenošenje živčanih impulsa duž aksona.

U MS-i pojedini dijelovi mijelinske ovojnice upalno reagiraju i propadaju, te se zbog toga ona smatra upalnom, demijelinizacijskom bolešću. Kad je određeni dio mijelinske ovojnice upaljen i oštećen, prenošenje impulsa kroz akson je poremećeno, usporeno, isprekidano zbog čega poruke iz mozga dolaze na cilj sa zakašnjenjem, pogrešno ili ih uopće nema.

Sve donedavno, istraživanja ove bolesti bila su primarno fokusirana na gubitak mijelina. Današnja istraživanja pokazuju da i sam akson može biti ozlijeđen. Ovo otkriće omogućava istraživačima pronalaženje novih metoda u liječenju MS-e, kao što je primjerice primjena lijekova koji sprečavaju smrt živčane stanice i usporavaju ili čak prekidaju napredovanje (progresiju) bolesti.

Manje promjene koje zahvaćaju mijelinsku ovojnicu usporavaju provođenje živčanih impulsa i obično ne uzrokuju nastanak simptoma, ali se smatra da su odgovorne za nastanak opće slabosti na koju se često bolesnici žale.

Opisane promjene mijelinske ovojnice uzrokuju nastanak simptoma MS-e kao što su npr. slabost ili trnjenje ruke ili noge, ili pak smetnje vida. Na isti način može u aksonima nastati "kratak spoj" što će uzrokovati nastanak različitih, čudnih senzacija (npr. iskrice ili bljeskovi u vidnom polju), pa čak i osjeta boli. Iz ovog proizlazi da simptomi MS-e ovise o mjestu zahvaćanja i jakosti upale mijelinske ovojnice aksona. To je razlog zbog čega su simptomi MS-e toliko različiti i zašto ih je teško predvidjeti. Budući da mozak i leđna moždina imaju velik rezervni kapacitet, mnoga područja upale mijelinske ovojnice neće dati nikakvih simptoma. Na mjestima nestanka mijelinske ovojnice nastaju ožiljci koji se nazivaju skleroza, plak ili lezija.